Материал: 26 Приемник

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Кафедра «Методы и приборы неразрушающего контроля»

Приемный тракт ультразвукового импульсного дефектоскопа и Система временной регулировки чувствительности

Методические указания к лабораторной работе №  26

по дисциплине “Основы проектирования приборов и систем”

Санкт - Петербург

2014

Целью настоящей работы является исследование параметров усилителя высокой частоты, видеоусилителя и системы временной регулировки чувствительности ультразвукового импульсного дефектоскопа общего назначения УД2-12.

1. Краткие теоретические сведения

При разработке приемного тракта ультразвукового импульсного дефектоскопа необходимо учитывать следующее:

1. Эхо сигналы от дефектов, поступающие на вход приемного тракта имеют амплитуду порядка мВ, а в обычных приемниках порядка мкВ.

2. Требуется защита приемного тракта от воздействий мощного зондирующего импульса, при совмещенной схеме подключения пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП).

3. Требуется измерение отношения амплитуд эхо-сигналов от дефекта и опорного отражателя.

4. Эхо сигнал с точки зрения радиотехники является широкополосным сигналом, то есть имеет широкий частотный спектр.

Основные функциональные узлы приемного тракта ультразвукового импульсного дефектоскопа (рис. 1.1):

• предварительный усилитель (ПУ), ограничитель амплитуды;

• измеритель отношения амплитуд сигналов (аттенюатор);

• усилитель высокой частоты (УВЧ);

• система временной регулировки чувствительности (ВРЧ);

• детектор;

• видеоусилитель.

Предварительный усилитель обеспечивает согласование приемного тракта с ПЭП.

Ограничитель амплитуды (рис. 1.2) – предохраняет УВЧ от перегрузок, свя­занных с воздействием зондирующего импульса (когда ПЭП подключен по совмещенной схеме). Работа ограничителя амплитуды основана на том, что сопротивление кремниевого диода резко уменьшается, когда напряжение на нем, дей­ствующее в прямом направлении, превосходит, примерно 0,6 В (рис. 1.2б). Ограни­чительные диоды шунтируют как положительный, так и отрицательный полупериоды зондирующего импульса. Конструктивно, ограничитель амплитуды представляет собой два полупроводниковых диода включенных параллельно входу приемного тракта (рис. 1.2а).

от ГСИ

ВРЧ

От ГИВ

ПЭП дБ отсечка

Рисунок 1.1 Функциональная схема приемного тракта дефектоскопа.

а) б)

Рисунок 1.2 Принципиальная схема ограничителя амплитуды (а) и вольтамперная характеристика кремниевого диода (б)

Аттенюатор - калиброванный делитель напряжения для измерения отношений амплитуд эхо сигналов на входе УВЧ. В практике дефектоскопии аттенюатор используется для настройки на заданную чувствительность контроля в децибелах (Ку, Кэ) и для определения условного коэффициента выявляемости дефекта (Кд). Определение чувствительности контроля и условного коэффициента выявляемости дефекта можно представить как:

Ку = Nх - Nо Кэ = Nх - Nо Кд = Nд - Nо

Где: Ку – условная чувствительность, дБ;

Кэ - эквивалентная чувствительность, дБ;

Кд – условный коэффициент выявляемости дефекта, дБ;

Nх – усиление, при котором обеспечивается заданная чувствительность контроля, дБ;

Nо - опорный уровень чувствительности. Усиление, при котором амплитуда эхо сигнала от опорного отражателя равна порогу срабатывания автоматического сигнализатора дефектов (порог АСД), дБ. Для Ку опорным отражателем является отверстие  6мм на глубине 44 мм в стандартных образцах СО-2, СО-3Р, для Кэ используется любая другая модель дефекта;

Nд - усиление, при котором амплитуда эхо сигнала от дефекта равна порогу АСД , дБ.

Усилитель высокой частоты должен иметь малое время восста­новления чувствительности после воздействия зондирующего импульса (в случае включения преобразователя по совмещенной схеме). Амплитуда эхо сигналов от дефектов с малой эквивалентной площадью составляет в зависимости от мощности зондирующего им­пульса 20.,.200 мкВ. При такой амплитуде входного сигнала и при выходном сигнале, равном 40 В, необходимый коэффициент уси­ления приемного тракта составит:

Где: U_вх - амплитуда сигнала на входе УВЧ, мкВ;

U_вых - амплитуда сигнала на выходе УВЧ, В.

Искажения формы сигналов в процессе усиления должны быть минимальны. При этом в первую очередь необходимо обеспечить малое время нарастания и спадания напряжения сигнала на выходе при­емника (рис. 1.3). Время нарастания сигнала в усилителе обратно пропорциональ­но полосе пропускания. Полоса пропускания УВЧ должна быть на­столько широкой, чтобы в усилителе не возникали значительные иска­жения формы сигнала, и в то же время достаточно узкой, чтобы уро­вень шумов не был чрезмерно велик. Величина минимально допустимой полосы пропускания зависит от формы огибающей и длительности усиливаемого сиг­нала. Известно, что эхо сигнал на входе приемника имеет колоколообразную форму. Полосу пропускания усилителя, обеспечивающую передачу колоколообразного радиоимпульса практически без искажений, определяют по формуле:

Амплитуда входных сигналов приемного тракта дефектоскопа в зависимости от размеров и глубины расположения дефектов в изделии может изменяться от десятков мкВ до десятков мВ. В связи с этим усилитель дефектоскопа должен иметь достаточный динамический диа­пазон для неискаженного усиления как малых сигналов от дефектов, так и эхо-сигналов сравнительно большой амплитуды. Динамический диапазон УВЧ определяют по формуле:

,

Где: U_вх.max и U_вх.min - максимальный и минимальный уровень входных сигналов, при которых усилитель сохраняет линейность амплитудной характеристики.

Различают два основных типа усилителей высокой частоты: линейный и логарифмический. В усилителе с линейной характеристикой U_вых максимально пропорционально U_вх (рис. 1.4). Однако точное соблюдение этого требования возможно лишь в ограниченном диапазоне. В логарифмическом усилителе U_вых пропорционально логарифму U_вх. Таким образом, логарифмический усилитель представляет собой пропорциональный «дБ-усилитель». Если усилитель с линейной характеристикой обладает в лучшем случае динамическим диапазоном 34 дБ, то логарифмический усилитель - 100 дБ, так как в этом типе усилителя уже нет «перевозбуждения» при воздействии слишком больших сигналов.

Возможна реализация двух вариантов УВЧ:

1. Широкополосный (апериодический усилитель)

2. Узкополосный (резонансный усилитель)

Рисунок 1.4 Амплитудная характеристика УВЧ разных типов.

Узкополосные УВЧ (резонансные) обладают высокой помехоустойчивостью, широкополосные УВЧ (апериодические) обладают хорошей разрешающей способностью. Резонансные усилители (узкополосные) как правило, содержат элементы колебательного контура (катушки индуктивности) и требуют изготовления индивидуальных намоточных комплектующих, предусматривающих настройку приемного тракта при заводской сборке. В радиотехнике считается узкополосным УВЧ, если >10..100. Недостатком слишком узкой полосы частот будет расширение импульсов и, тем самым, потеря разрешающей способности.

Система временной регулировки чувствительности ВРЧ вырабатывает импульс определенной формы (обычно экспо­ненциальный), который подается на УВЧ, запирая его непосредственно после излучения зондирующего импульса и изменяя коэффициент уси­ления во времени. Форма и параметры импульса ВРЧ регулируются в зависимости от задач контроля. ВРЧ используется не только для подавления зондирующего импульса и реверберационных шумов (рис.1.5 а) с целью уменьшения мертвой зоны, но и позволяет компенсировать ослабление ультразвука в контроли­руемом изделии, обусловленное дифракционным расхождением и затуха­нием ультразвука, с целью выравнивания амплитуд эхо-сигналов от равновеликих дефектов залегающих на различных глубинах (рис.1.5 б).

а)

б)

Рисунок 1.5 Примеры использования ВРЧ: выравнивание чувствительности по глубине (а); подавление реверберационных шумов (б).

Изображение на экране дефектоскопа УД2-70

В целях выравнивания чувствительности по глубине закон изменения усиления должен быть обратным закону уменьшения амплитуды отраженных сигналов. Обычно амплитуда ВРЧ (то есть степень подавления эхо-сигналов вблизи зондирующего импульса) в современных дефектоскопах достигает до 40 ....60 дБ.

Амплитудный детектор предназначен для выделения огибающей радиоимпульсов, что упрощает восприятие сигналов оператором и позволяет эффективно использовать площадь индикатора (экрана). Амплитудный детектор не усиливает сигнал, а ослабляет их (в 1,5-2 раза). При выделении огибающей радиоимпульсов происходит некоторая потеря информации о дефекте. В универсальных дефектоскопах амплитудный детектор выполняют по более сложной схеме и предусматривают 4 режима работы:

1. Выпрямление положительных полуволн.

2. Выпрямление отрицательных полуволн.

3. Двухполупериодное выпрямление.

4. Отсутствие детектирование RF (радиоимпульс).

Предпочтительным является двухполупериодное выпрямление. Наиболее информативным является режим RF (фазовый анализ положительных и отрицательных полуволн).

1. Видеоусилитель предназначен для дополнительного усиления детектированных сигналов до уровней достаточных для срабатывания индикаторов дефектоскопа. Детектор или ви­деоусилитель снабжают регулируемой отсечкой шумов, исключающей прохождение на выход приемного тракта сигналов небольшой амплитуды (в том числе шумов). Особенно эффективна компенсированная отсеч­ка, при которой восстанавливается амплитуда оставшихся после отсечки сигналов (рис. 1.6).

а ) б)

ЗИ ЭХО 1 ЭХО 2 ЗИ ЭХО 1 ЭХО 2

Уровень отсечки

Рисунок 1.6 Примеры использования отсечки шумов:

отсечка шумов выключена (а); отсечка шумов включена (б)

Недостатками схемы компенсированной отсечки являются:

• Искажение формы эхо-сигнала ниже порогового уровня.

• В процессе анализа сигнала оператор не видит момент зарождения и исчезновения эхо-сигнала, то есть огибающие амплитуд эхо-сигнала в процессе перемещения ПЭП получается существенно уже.

В процессе контроля, в зависимости от производственных условий, необходимо устанавливать уровень отсечки как можно ниже.

Ультразвуковые дефектоскопы можно условно разделить на два класса – аналоговые (УД2-12) и цифровые (УД2-70). В аналоговых дефектоскопах обработка сигналов производится с помощью аналоговых устройств (усилитель высокой частоты, детектор, видеоусилитель и т.д.) и отображение сигналов осуществляется также аналоговым устройством (ЭЛТ). Цифровые дефектоскопы содержат микропроцессор, который обрабатывает сигналы в цифровом виде и отображает их на матричном дисплее. Устройство приемного тракта сильно отличается для данных двух классов дефектоскопов. В цифровом дефектоскопе аналоговая часть приемника состоит из усилителя высокой частоты и детектора. Сигнал с выхода детектора поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует его в цифровой код и передает в память микропроцессора. Дальнейшая обработка сигналов производится уже микропроцессором. Сигнал ВРЧ формируется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП). Цифровой код извлекается из памяти микропроцессора и преобразуется в некоторое напряжение (сигнал ВРЧ) на выходе ЦАП. Сигнал ВРЧ, как и у аналогового дефектоскопа, управляет коэффициентом усиления УВЧ. Обнаружение эхосигнала определение его координат и амплитуды, изображение на дисплее - все эти операции делает микропроцессор. В дефектоскопах, созданных в последние годы цифровому преобразованию подвергается высокочастотный сигнал. В приемнике отсутствует детектор. На экране матричного дисплея может отображаться или высокочастотный или детектированный сигнал. Алгоритм обработки сигнала содержит программу цифровой фильтрации и цифрового детектирования. Важно отметить, что в цифровом дефектоскопе невозможно определить параметры только аналоговой части приемника. Измеряемые величины неизбежно будут обрабатываться "искажаться" алгоритмом микропроцессора. Поэтому параметры приемника нужно представлять, как общие параметры аналоговой части, плюс алгоритм обработки. Существуют переходные модели дефектоскопов, которые содержат микропроцессор, но приемник дефектоскопа является полностью аналоговым и отображение сигналов осуществляется в аналоговом виде на ЭЛТ. (УДС2-32, РДМ-2, РДМ-3). Несмотря на существенные отличия приемников цифровых и аналоговых дефектоскопов, комплекс поверяемых параметров остается одним и тем же.